Электронный текстиль

Электронный текстиль отличается от собственно носимых вычислений, так как основное внимание в нём уделяется бесшовной интеграции текстиля с электронными элементами вроде микроконтроллеров, датчиков и исполнительных устройств. При этом электронный текстиль не обязательно должен быть носимым — аналогичные решения находят применение, например, в интерьерном дизайне.

Как отмечается в одном из отраслевых обзоров, существует условное деление технологий электронного текстиля на три поколения:

1. «Первое поколение» — крепление сенсора к готовой одежде. Такой подход используется ведущими брендами спортивной одежды (Adidas, Nike, Under Armour).
2. «Второе поколение» — встраивание сенсора непосредственно в структуру изделия; пример — разработки компаний Samsung, Alphabet, Ralph Lauren и Flex.
3. «Третье поколение» — когда сама ткань изделия становится сенсором (разрабатываются сенсоры давления, растяжения, температуры и т.д.).

Ожидается, что в будущем электронный текстиль будет широко использоваться как в спортивных и оздоровительных товарах, так и в медицинских изделиях для мониторинга состояния пациентов. Также к значимым областям применения относят технический текстиль, моду и развлечения^[2].

Материалы, необходимые для создания электронного текстиля (например, проводящие нити и ткани), известны уже более тысячелетия. В частности, ещё в древности ремесленники обматывали нити ткани металлизированной фольгой (в основном золотой или серебряной)^[3]. Например, многие наряды королевы Елизаветы I сшиты с вышивкой из нитей, обёрнутых золотом.

В конце XIX века, с распространением электрических приборов, инженеры и дизайнеры начали экспериментировать с объединением электричества, одежды и украшений — создавались светящиеся и подвижные подвески, шляпы, броши и костюмы^[4][5]. К примеру, в 1880-х годах для светских приёмов можно было арендовать девушек в вечерних платьях с огоньками, которых предоставляла Electric Girl Lighting Company.

В 1968 году Музей современного ремесла в Нью-Йорке провёл новаторскую выставку Body Covering, посвящённую связям технологии и одежды: здесь показали как космические скафандры, так и одежду, способную надуваться, светиться и менять температуру^[6]. Особое внимание привлекла коллекция Дианы Дью^[7], дизайнера, создавшей электронную модную одежду — в том числе вечерние платья с электролюминесцентной подсветкой и ремни, способные включать сигнализацию^[8].

В 1985 году изобретатель Гарри Уэйнрайт создал первую анимированную толстовку с использованием оптоволокна, проводников и микропроцессора для управления отдельными кадрами анимации. В 1995 году он изобрёл первую машину для ввода оптоволокна в ткани, что открыло путь к массовому производству подобных изделий. В 1998 году такие изделия стали использоваться для создания нарядов в парках развлечений Disney, позже — для изготовления специализированной одежды с дисплеями для мониторинга физиологических параметров. Позже были продемонстрированы технологии, использующие светодиодные/оптоволоконные дисплеи для военных задач (например, IFF — «свой-чужой»), получены патенты и награды NASA; новинки демонстрировались и в исследовательских центрах MIT для продвижения идей «носимого компьютера». Также разрабатывались решения с изменяемым цветом ткани, защитой от краж, интеграцией с мобильными телефонами.

В середине 1990-х группа исследователей MIT во главе со Стивом Мэнном, Тадом Старнером и Сэнди Пентландом разработала первый носимый компьютер, а параллельная команда под руководством Мэгги Орт и Реми Поста начала интеграцию электронных схем непосредственно в ткань. В 1999 году Реми Пост предложил способ электронной вышивки (E-broidery), позволивший создавать интегрированные текстильные цепи из проводящих нитей. Это привело к возможности вшивания стандартных микросхем в ткани и созданию первой носимой MIDI-куртки с датчиками и звуковыми компонентами^[9]. В лаборатории MIT также был разработан один из первых микроконтроллеров на базе Arduino для умной одежды — LilyPad Arduino (Лия Бюкли).

В период с 2010 по 2020 год развитие электронного текстиля характеризовалось миниатюризацией электроники и переходом от лабораторных исследований к созданию коммерческих продуктов. Знаковым событием стал анонс технологии Project Jacquard от компании Google в 2015 году. В 2017 году в рамках партнёрства с брендом Levi's был выпущен первый совместный продукт — джинсовая куртка с интегрированными в ткань сенсорными зонами, которые позволяли управлять мобильными устройствами с помощью жестов^[10][11].

В области электронного текстиля выделяют две основные категории:

• текстиль с интеграцией классических электронных компонентов, таких как проводники, интегральные схемы, светодиоды (LED), OLED, стандартные батареи, внедряемые непосредственно в структуру одежды^[12];
• текстиль с электроникой, интегрированной непосредственно в материал нитей или ткани^[13]. В этом случае возможно создание как пассивных элементов (проводники, резисторы), так и активных — транзисторов, диодов, солнечных элементов.

При изготовлении электронного текстиля используются различные виды проводящих нитей: металлические волокна, полимерные нити с металлопокрытием, нити с добавлением токопроводящих наполнителей, мокроспинные полимерные нити, а также нити с покрытием из графена.

Большинство современных научных и коммерческих разработок в электронном текстиле — это гибридные системы: электронные компоненты, встроенные в ткань, соединяются с классическими электронными устройствами. Примеры включают текстильные кнопки на основе проводящей ткани для управления плеером или светодиодные дисплеи на тканевой основе^[14].

В текстиле реализованы как сенсоры физиологических параметров, так и мониторинг окружающей среды^[15] — на основе хлопка^[16], Gore-Tex^[17], и неопрена^[18]. Сенсоры, интегрированные таким образом, могут анализировать уровень глюкозы и другие биомаркеры физического состояния.

Развитие аддитивных технологий способствовало переходу 3D-печати электронного текстиля от лабораторных исследований к серийному производству^[19]. Важную роль в создании безотходной умной одежды играет 3D-вязание, позволяющее формировать готовое изделие с интегрированными электронными компонентами целиком из пряжи, что исключает образование отходов кроя^[20]. Для интеграции электроники в текстиль также применяются методы мультиматериальной печати, включая прямую печать на ткани (Direct Ink Writing, DIW) специальными проводящими чернилами и коаксиальную печать, с помощью которой создаются гибкие волокна с проводящей сердцевиной и изолирующей оболочкой^[21].

Умные текстильные ткани могут производиться из традиционных материалов (хлопок, полиэстер, нейлон) и из современных (например, кевлар) с дополнительными функциональными возможностями. Наиболее интересны ткани с электрической проводимостью^[22]. Электропроводящие ткани получают осаждением металлических наночастиц на волокна или ткань, что придаёт материалу токопроводимость, гидрофильность и развитую электроактивную поверхность.

Выделяют два типа умных текстильных изделий для медицины: 1) ткани с электронными сенсорами на текстильной основе; 2) ткани, в которые вшиты классические электронные сенсоры. Применение текстильных проводников позволяет создать решение уровня «текстильная материнская плата», на которой размещаются различные датчики (например, ЭКГ). В последующих разработках применяются как проводящие тканевые волокна, так и металлические, в том числе с серебряным покрытием^[23].

В исследованиях встречаются два подхода к изготовлению одежды с ЭКГ-сенсорами:

• Интеграция после выпуска изделия — датчики вшиваются, пришиваются, приклеиваются или напыляются на уже готовую одежду.
• Интеграция функциональных материалов при производстве — компоненты вводятся в структуру ткани при ткацком процессе или формировании нетканых материалов^[23].

Для создания высокоэластичных проводников применяются жидкие металлы, в частности сплавы на основе галлия (например, эвтектический галлий-индий и галлий-индий-олово). В отличие от твёрдых металлов, они сохраняют высокую электропроводность при значительных деформациях, таких как растяжение и скручивание. Наряду с этим активно развивается направление ионотроники, в рамках которого традиционные металлические проводники заменяются на ионно-проводящие среды (например, ионные жидкости). Использование таких материалов повышает гибкость и эластичность волокон, делая ткани более мягкими и адаптируемыми к движениям тела^[24].^[25]

Как и в классической электронике, создание электронных свойств на уровне волокон требует применения проводящих и полупроводниковых материалов — например, проводящие текстильные волокна^[26]. Однако из-за жёсткости металлов и классических полупроводников они ограничены в применении (ведь текстиль подвергается сгибам и растяжениям).

Одной из важнейших проблем электронного текстиля является стирка: электронные компоненты необходимо изолировать и защищать для предотвращения разрушения.

Печатные электронные текстильные решения (например, трафаретная печать) обеспечивают большую гибкость и комфорт по сравнению с традиционными волокнами. Но для большинства таких решений требуются защитные покрытия (из-за водной основы чернил и механических нагрузок при стирке ткани), иначе электроника быстро теряет работоспособность^[27].

Разработаны моющиеся и долговечные ткани, чувствительные к магнитному полю, которые используют гибкие магниторезистивные сенсоры в оплётке нити. Такие ткани позволяют управлять устройствами на расстоянии посредством жестов и перспективны для виртуальной реальности, интерактивной одежды и спецодежды.

В лабораториях разработаны:

• Органические волоконные транзисторы — совместимые с промышленным текстилем, лёгкие, безметалльные и экологичные^[28][29];
• Органические солнечные элементы на волокнах — лёгкие, гибкие фотоэлементы на углеродной основе, способные вырабатывать энергию прямо на ткани^[30].

Активно развиваются технологии программируемых нитей. В частности, исследователями Массачусетского технологического института создано волокно FibeRobo на основе жидкокристаллического эластомера, которое способно обратимо сокращаться в длину до 40 % при нагревании. Изменение формы может контролироваться цифровым сигналом с помощью вплетённых токопроводящих нитей, выступающих в роли нагревательных элементов. Материал совместим со стандартным промышленным оборудованием и выдерживает машинную стирку^[31].

Для создания динамически изменяемых поверхностей в электронный текстиль интегрируются ультратонкие гибкие дисплеи на электронных чернилах. Технология цветных программируемых плёнок E Ink Prism 3, созданных на пластиковой подложке, позволяет вырезать дисплеи любой формы и встраивать их в крой одежды. Благодаря сверхнизкому энергопотреблению питание требуется только в момент смены цвета или узора. Подключение таких дисплеев к управляющей электронике и датчикам осуществляется с помощью эластичных токопроводящих материалов, что позволяет, например, менять рисунок на ткани в зависимости от пульса владельца^[32].^[33]

В спортивной индустрии электронный текстиль встраивают в форму и экипировку для мониторинга состояния спортсмена: снимают физические показатели (ЧСС, мышечная активность, энергозатраты, пройденная дистанция и др.). Эти данные используются для анализа эффективности и предотвращения травм^[34]. В отличие от традиционных носимых устройств, сенсоры в e-textiles полностью интегрированы в материал и не мешают движению.

В современную спортивную экипировку интегрируются текстильные ЭКГ-электроды, электромиографические (ЭМГ) датчики для анализа мышечной активности и биосенсоры пота^[35]. Для анализа биомеханики движений в реальном времени применяется искусственный интеллект (включая технологии Edge-AI), что реализовано, например, в системах от компаний Athos и Hexoskin^[36].

В военной сфере электронный текстиль используют для контроля здоровья, жизненных показателей и перемещений военнослужащих, передачи оперативной информации для повышения безопасности в поле. Сенсоры могут анализировать физическое и психоэмоциональное состояние, а также предупреждать о воздействии опасных факторов окружения (температура, токсичные вещества и прочее).

Одним из направлений развития электронного текстиля для оборонной промышленности является создание систем активной маскировки и адаптивного камуфляжа. Разрабатываются ткани, способные изменять свой цвет и рисунок для подстройки под окружающую среду с использованием электрохромных чернил и термохромных пигментов. Данные технологии находятся на стадии прототипирования; среди известных примеров в этой области выделяются разработки компаний BAE Systems и Hyperstealth Biotechnology^[37].^[38].

Основной экологической проблемой умных тканей является их гибридная природа — сочетание текстильных волокон с неразрывно интегрированными электронными компонентами (датчиками, проводами, микросхемами). Это делает переработку электронного текстиля сложной и дорогой, так как эффективное разделение материалов в промышленных масштабах практически невозможно.

Для перехода к модели циркулярной экономики в Европейском союзе к 2026 году вступает в силу ряд регуляторных требований, базирующихся на Регламенте по экодизайну для устойчивой продукции (ESPR). В частности, с 19 июля 2026 года для крупных компаний вводится запрет на уничтожение непроданной текстильной продукции.

В рамках регламента ESPR для обеспечения отслеживаемости материалов внедряется обязательный Цифровой паспорт продукта (DPP). Для электронного текстиля он будет содержать подробную информацию о составе материалов, экологическом следе, возможностях ремонта и наличии вредных веществ на протяжении всего жизненного цикла изделия. Также в ЕС вводятся обязательные схемы расширенной ответственности производителя (EPR), обязывающие производителей нести финансовую ответственность за сбор, сортировку и переработку отходов своей продукции.